ФА́ЗОВЫЙ ПЕРЕХО́Д

ФА́ЗОВЫЙ ПЕРЕХО́Д, пе­ре­ход ме­ж­ду со­стоя­ния­ми (фа­за­ми) фи­зич. сис­те­мы из боль­шо­го чис­ла час­тиц, про­ис­хо­дя­щий при оп­ре­де­лён­ных зна­че­ни­ях внеш­них па­ра­мет­ров (темп-ры, дав­ле­ния, маг­нит­но­го по­ля и др.). Воз­мож­ные для дан­ной сис­те­мы фа­зы ха­рак­те­ри­зу­ют­ся па­ра­мет­ра­ми со­стоя­ния и гра­фи­че­ски изо­бра­жа­ют­ся на фа­зо­вой диа­грам­ме, на ко­то­рой фа­зы от­де­ле­ны друг от дру­га кри­вой Ф. п. (фа­зо­вой гра­ни­цей), при­чём разл. фа­зам со­от­вет­ст­ву­ют разл. урав­не­ния со­стоя­ния.

Со­стоя­ния (фа­зы) сис­те­мы от­ли­ча­ют­ся друг от дру­га па­ра­мет­ра­ми по­ряд­ка, при­чём в за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра их из­ме­не­ния раз­ли­ча­ют Ф. п. 1-го ро­да (скач­ко­об­раз­ное из­ме­не­ние па­ра­мет­ров по­ряд­ка) и Ф. п. 2-го ро­да (не­пре­рыв­ное из­ме­не­ние па­ра­мет­ров по­ряд­ка); ука­зан­ное раз­ли­чие до­воль­но ус­лов­но, т. к. су­ще­ст­ву­ет тип Ф. п. 1-го ро­да, близ­ких ко 2-му. При­ме­ры Ф. п. 1-го ро­да – пе­ре­хо­ды ме­ж­ду га­зо­об­раз­ным, жид­ким и твёр­дым со­стоя­ния­ми од­но­го и то­го же ве­ще­ст­ва, Ф. п. 2-го ро­да – пе­ре­хо­ды фер­ро­маг­не­тик – па­ра­маг­не­тик, нор­маль­ный ме­талл – сверх­про­вод­ник и др. (см. так­же Маг­нит­ный фа­зо­вый пе­ре­ход, Ори­ен­та­ци­он­ный фа­зо­вый пе­ре­ход, Струк­тур­ные фа­зо­вые пе­ре­хо­ды).

Ко­ли­че­ст­вен­ное опи­са­ние Ф. п. 1-го ро­да ос­но­ва­но на рас­смот­ре­нии тер­мо­ди­на­мич. по­тен­циа­ла – Гиб­бса энер­гии G, за­ви­ся­щей от внеш­них ин­тен­сив­ных тер­мо­ди­на­мич. па­ра­мет­ров (напр., дав­ле­ния p и темп-ры Т) и чис­лен­но рав­ной хи­мич. по­тен­циа­лу фа­зы. На фа­зо­вой гра­ни­це Ф. п. 1-го ро­да ве­ли­чи­на G не­пре­рыв­на, но её пер­вые про­из­вод­ные ис­пы­ты­ва­ют ко­неч­ный ска­чок; к чис­лу ука­зан­ных ве­ли­чин от­но­сят­ся удель­ный объ­ём фа­зы и удель­ная те­п­ло­та фа­зо­во­го пе­ре­хо­да. По­сред­ст­вом этих ве­ли­чин вы­ра­жа­ет­ся урав­не­ние фа­зо­вой гра­ни­цы f(p,T)=0 (см. Кла­пей­ро­на – Клау­зиу­са урав­не­ние), при­чём при за­дан­ном зна­че­нии p или Т это урав­не­ние од­но­знач­но оп­ре­де­ля­ет точ­ку Ф. п. – со­от­вет­ст­вен­но Т_кр или p_кр.

С тер­мо­ди­на­мич. точ­ки зре­ния гра­ни­ча­щие на фа­зо­вой диа­грам­ме фа­зы со­от­вет­ст­ву­ют разл. ус­той­чи­вым (ста­биль­ным) ло­каль­ным ми­ни­му­мам энер­гии Гиб­бса G. При оп­ре­де­лён­ных ус­ло­ви­ях (в чис­ло ко­то­рых вхо­дят хи­мич. чис­то­та и од­но­род­ность) в сис­те­ме воз­мож­ны ме­та­ста­биль­ные со­стоя­ния – напр., пе­ре­гре­тая жид­кость или пе­ре­ох­ла­ж­дён­ный пар, ко­то­рые по ис­те­че­нии вре­ме­ни ре­лак­са­ции пе­ре­хо­дят в ста­биль­ные со­стоя­ния с бур­ным вы­де­ле­ни­ем те­п­ло­ты фа­зо­во­го пе­ре­хо­да. Ука­зан­ный пе­ре­ход обу­слов­лен рос­том т. н. за­ро­ды­шей бо­лее ста­биль­ной фа­зы (здесь – ка­пель жид­ко­сти) и яв­ля­ет­ся при­ме­ром не­рав­но­вес­ных фа­зо­вых пе­ре­хо­дов.

В слу­чае Ф. п. 2-го ро­да не­пре­рыв­ны как ве­ли­чи­на G, так и её пер­вые про­из­вод­ные, но раз­рыв (воз­мож­но, бес­ко­неч­ный) ис­пы­ты­ва­ют вто­рые про­из­вод­ные тер­мо­ди­на­мич. по­тен­циа­ла (обоб­щён­ные тер­мо­ди­на­мич. вос­при­им­чи­во­сти) – напр., сжи­мае­мость ϰ, те­п­ло­ём­кость С, маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость χ. Ма­те­ма­ти­че­ски ука­зан­ные осо­бен­но­сти ха­рак­те­ри­зу­ют­ся т. н. кри­тич. по­ка­за­те­ля­ми (ин­дек­са­ми) – напр., χ∼∣ε∣^–ν вбли­зи Кю­ри точ­ки T_C, где ε=(T-T_C)/T_C – при­ве­дён­ная темп-ра, ν – кри­тич. ин­декс. Вбли­зи точ­ки Ф. п. 2-го ро­да на­блю­да­ют­ся кри­ти­че­ские яв­ле­ния – ано­маль­ный рост сжи­мае­мо­сти и те­п­ло­ём­ко­сти ве­ще­ст­ва, ано­маль­ное рас­сея­ние элек­тро­маг­нит­ных волн на фи­зич. сис­те­ме, кри­тич. за­мед­ле­ние ря­да не­об­ра­ти­мых про­цес­сов (напр., диф­фу­зии, вяз­ко­сти) и т. п. Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что обоб­щён­ные тер­мо­ди­на­мич. вос­при­им­чи­во­сти про­пор­цио­наль­ны рав­но­вес­ным спон­тан­ным флук­туа­ци­ям тер­мо­ди­на­ми­че­ски со­пря­жён­ных ве­ли­чин – напр., те­п­ло­ём­кость про­пор­цио­наль­на флук­туа­ци­ям внутр. энер­гии сис­те­мы, а сжи­мае­мость – флук­туа­ци­ям её объ­ё­ма.

Фи­зич. при­ро­да Ф. п. 2-го ро­да свя­за­на с по­ня­ти­ем сим­мет­рии (кри­стал­ло­гра­фич., маг­нит­ной и т. п.) и с оп­ре­де­лён­ным ти­пом упо­ря­до­че­ния в сис­те­ме или од­ной из её под­сис­тем, напр. маг­нит­ной (см. Даль­ний и ближ­ний по­ря­док). Со­от­вет­ст­вен­но раз­ли­ча­ют­ся Ф. п. 2-го ро­да ти­па по­ря­док – бес­по­ря­док (напр., при упо­ря­до­че­нии би­нар­ных спла­вов и твёр­дых рас­тво­ров, фер­ро­маг­не­тизм – па­ра­маг­не­тизм) или по­ря­док – по­ря­док (напр., при по­ли­морф­ных пре­вра­ще­ни­ях в твёр­дых те­лах).

К чис­лу Ф. п. 2-го ро­да от­но­сят кри­ти­че­ские точ­ки, ко­то­рые со­от­вет­ст­ву­ют точ­кам окон­ча­ния фа­зо­вых гра­ниц, где об­ра­ща­ют­ся в нуль скач­ки удель­но­го объ­ё­ма и те­п­ло­та Ф. п. 1-го ро­да. Напр., в кри­тич. точ­ке фа­зо­вой гра­ни­цы газ – жид­кость ис­че­за­ет фи­зич. раз­ли­чие ме­ж­ду эти­ми фа­за­ми (по плот­но­сти и от­сут­ст­вию ближ­не­го по­ряд­ка), так что вы­ше темп-ры Т_кр и дав­ле­ния p_кр не­воз­мо­жен Ф. п. 1-го ро­да кон­ден­са­ции га­за в жид­кость.

Тео­ре­тич. опи­са­ние Ф. п. 2-го ро­да ос­но­ва­но на фе­но­ме­но­ло­гич. тео­рии фа­зо­вых пе­ре­хо­дов Лан­дау, со­глас­но ко­то­рой па­ра­метр по­ряд­ка рас­смат­ри­ва­ет­ся как не­за­ви­си­мая пе­ре­мен­ная при ми­ни­ми­за­ции сво­бод­ной энер­гии сис­те­мы. Бо­лее точ­ный рас­чёт кри­тич. по­ка­за­те­лей ос­но­ван на т. н. ги­по­те­зе по­до­бия, со­глас­но ко­то­рой вбли­зи кри­тич. точ­ки рез­ко воз­рас­та­ет ра­ди­ус кор­ре­ля­ций ло­каль­ных флук­туа­ций тер­мо­ди­на­мич. па­ра­мет­ров. Это по­зво­ля­ет при­ме­нить к опи­са­нию Ф. п. 2-го ро­да по­ня­тие мас­штаб­ной ин­ва­ри­ант­но­сти и эф­фек­тив­но ис­поль­зо­вать ма­те­ма­тич. ме­то­ды, раз­ви­тые в кван­то­вой тео­рии по­ля, в т. ч. ме­тод ре­нор­ма­ли­за­ци­он­ной груп­пы.